低噪声放大器.pdf

一种低噪声放大器，包括：输入级电路；偏置电路，用于为所述输入级电路提供偏置；输出级电路；第一放大器和第二放大器；第一中间级电路，用于所述输入级电路和所述第一放大器电路的级间匹配及信号耦合与隔离；第二中间级电路，用于所述第一放大器电路和所述第二放大器电路的级间匹配；所述第一中间级电路通过第一放大器与所述第二中间级电路耦接，所述第二中间级电路通过第二放大器与所述输出级电路耦接。通过所述低噪声放大器可以在不增加功耗的情况下，提高LNA的功率增益。

权利要求书
1.  一种低噪声放大器，其特征在于，包括：
输入级电路；
偏置电路，用于为所述输入级电路提供偏置；
输出级电路；
第一放大器和第二放大器；
第一中间级电路，用于所述输入级电路和所述第一放大器电路的级间匹配及信号耦合与隔离；
第二中间级电路，用于所述第一放大器电路和所述第二放大器电路的级间匹配；
所述第一中间级电路通过所述第一放大器与所述第二中间级电路耦接，所述第二中间级电路通过所述第二放大器与所述输出级电路耦接。

2.  如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述输入级电路包括：
第一电感、第二电感、第一电容、第二电容以及第一晶体管；
所述第一电感的第一端耦接于射频信号，第二端耦接于所述第一电容的第一端；
所述第一电容的第二端分别耦接于所述第二电容的第一端以及所述第一晶体管的控制端；
所述第一晶体管的第一电极形成所述输入级电路的输出端；
所述第一晶体管的第二电极以及所述第二电容的第二端耦接于所述第二电感的第一端；
所述第二电感的第二端与地耦接。

3.  如权利要求2所述的低噪声放大器，其特征在于，所述偏置电路包括：电流源、第二晶体管、第一电阻；
所述电流源耦接于所述第二晶体管的第一电极、控制端以及所述第一电阻的第一端；
所述第二晶体管的第二电极与地耦接；
所述第一电阻的第二端耦接于所述第一晶体管的栅极。

4.  如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述第一中间级电路包括第三电容和第三电感；
所述第三电容的第一端以及所述第三电感的第一端耦接于所述第一中间级电路的输入端；
所述第三电容的第二端形成所述第一中间级电路的输出端；
所述第三电感的第二端与地耦接。

5.  如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述第二中间级电路包括第四电容和第四电感；
所述第四电容的第一端以及所述第四电感的第一端耦接于所述第二中间级电路的输入端；
所述第四电容的第二端形成所述第二中间级电路的输出端；
所述第四电感的第二端与地耦接。

6.  如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述输出级电路包括：
第五电容、第六电容以及第五电感；
第五电容、所述第六电容以及所述第五电感的第一端耦接于所述输出级电路的输入端；
所述第五电容以及所述第五电感的第二端与地耦接；
所述第六电容的第二端形成所述输出级电路的输出端。

7.  如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，
所述第一放大器为NMOS管；
所述第一放大器的栅极耦接于所述第一中间级电路的输出端，漏极耦接于
所述第二中间级电路的输入端，源级与地耦接。

8.  如权利要求7所述的低噪声放大器，其特征在于，所述第一放大器的栅极通过第二电阻耦接于电源电压。

9.  如权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，
所述第二放大器为NMOS管；
所述第二放大器的栅极耦接于所述第二中间级电路的输出端，漏极耦接于
所述输出级电路的输入端，源级与地耦接。

10.  如权利要求9所述的低噪声放大器，其特征在于，所述第二放大器的栅极通过第三电阻耦接于电源电压。

说明书低噪声放大器
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种低噪声放大器。
背景技术
在射频接收机的前端设计中，低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)是必不可少的组成部分，其决定了整个接收机的接收灵敏度。尤其对于应用于如GPS导航等的射频接收机来说，其接收信号来自导航卫星，由于通常信道环境及距离因素往往会导致功率非常微小，因此要求射频接收机前端的LNA需要具有优异的噪声系数(NF)以及较高的功率增益放大性能，才可以保证接收机具有足够的信噪比，保证良好的通信质量。
然而在现有的射频接收机的低噪声放大器中，难以在不增加功耗的情况下，提高LNA的功率增益。
发明内容
本发明实施例解决的问题是如何在不增加功耗的情况下，提高LNA的功率增益。
为解决上述问题，本发明实施例提供一种低噪声放大器，包括：
输入级电路；
偏置电路，用于为所述输入级电路提供偏置；
输出级电路；
第一放大器和第二放大器；
第一中间级电路，用于所述输入级电路和所述第一放大器电路的级间匹配及信号耦合与隔离；
第二中间级电路，用于所述第一放大器电路和所述第二放大器电路的级间匹配；
所述第一中间级电路通过所述第一放大器与所述第二中间级电路耦接， 所述第二中间级电路通过所述第二放大器与所述输出级电路耦接。
可选的，所述输入级电路包括：第一电感、第二电感、第一电容、第二电容以及第一晶体管；
所述第一电感的第一端耦接于射频信号，第二端耦接于所述第一电容的第一端；
所述第一电容的第二端分别耦接于所述第二电容的第一端以及所述第一晶体管的控制端；
所述第一晶体管的第一电极形成所述输入级电路的输出端；
所述第一晶体管的第二电极以及所述第二电容的第二端耦接于所述第二电感的第一端；
所述第二电感的第二端与地耦接。
可选的，所述偏置电路包括：电流源、第二晶体管、第一电阻；
所述电流源耦接于所述第二晶体管的第一电极、控制端以及所述第一电阻的第一端；
所述第二晶体管的第二电极与地耦接；
所述第一电阻的第二端耦接于所述第一晶体管的栅极。
可选的，所述第一中间级电路包括第三电容和第三电感；
所述第三电容的第一端以及所述第三电感的第一端耦接于所述第一中间级电路的输入端；
所述第三电容的第二端形成所述第一中间级电路的输出端；
所述第三电感的第二端与地耦接。
可选的，所述第二中间级电路包括第四电容和第四电感；
所述第四电容的第一端以及所述第四电感的第一端耦接于所述第二中间级电路的输入端；
所述第四电容的第二端形成所述第二中间级电路的输出端；
所述第四电感的第二端与地耦接。
可选的，所述输出级电路包括：第五电容、第六电容以及第五电感；
第五电容、所述第六电容以及所述第五电感的第一端耦接于所述输出级电路的输入端；
所述第五电容以及所述第五电感的第二端与地耦接；
所述第六电容的第二端形成所述输出级电路的输出端。
可选的，所述第一放大器为NMOS管；
所述第一放大器的栅极耦接于所述第一中间级电路的输出端，漏极耦接于所述第二中间级电路的输入端，源级与地耦接。
可选的，所述第一放大器的栅极通过第二电阻耦接于电源电压。
可选的，所述第二放大器为NMOS管；
所述第二放大器的栅极耦接于所述第二中间级电路的输出端，漏极耦接于所述输出级电路的输入端，源级与地耦接。
可选的，所述第二放大器的栅极通过第三电阻耦接于电源电压。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下优点：
通过将传统电流复用低噪声放大器的输出放大级进行跨导均分，分为第一放大器和级联的第二放大器，并且对所述第一放大器和级联的第二放大器进行等电流复用共享输入级的偏置电流。由于增大了所述低噪声放大器的跨导和输出阻抗，因此可以在不增加功耗的情况下，提高LNA的功率增益，进而提高射频接收机的灵敏度。
附图说明
图1是本发明实施例的一种低噪声放大器的结构示意图；
图2是本发明实施例的另一种低噪声放大器的结构示意图。
具体实施方式
在射频接收机的前端设计中，LNA是必不可少的组成部分，其决定了整个接收机的接收灵敏度。尤其对于应用于如GPS导航等的射频接收机来说，其接收信号来自导航卫星，由于通常信道环境及距离因素往往会导致功率非常微小，因此要求射频接收机前端的LNA需要具有优异的噪声系数(NF)以及较高的功率增益放大性能，才可以保证接收机具有足够的信噪比，保证良好的通信质量。然而在现有的射频接收机的低噪声放大器中，难以在不增加功耗的情况下，提高LNA的功率增益。
本发明实施例提供了一种低噪声放大器。通过在射频接收机中增加第一放大器和级联的第二放大器，并且对所述第一放大器和级联的第二放大器进行电流复用。由于增大了所述低噪声放大器的跨导和输出电阻，因此可以在不增加功耗的情况下，提高LNA的功率增益，进而提高射频接收机的灵敏度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
本发明实施例公开了一种低噪声放大器。如图1所示，所述低噪声放大器可包括：输入级电路101、偏置电路102、第一中间级电路103、第二中间级电路105以及输出级电路107。其中，所述第一中间级电路103通过第一放大器104与所述第二中间级电路105耦接，所述第二中间级电路105通过第二放大器106与所述输出级电路107耦接。
所述低噪声放大器可以应用于射频接收机中，如GPS的射频接收机中。在具体实施中，所述输入级电路101可用于匹配射频接收机的天线阻抗，在本发明一实施例中，所述输入级电路101可匹配为50欧姆左右。所述输出级电路107用于驱动射频接收机的片外负载，因此相应地所述输出级电路107也可匹配为50欧姆左右。
在具体实施中，结合图1和图2所示，所述输入级电路101可包括：第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2以及第一晶体管M1；所述第一电感L1的第一端耦接于射频信号，第二端耦接于所述第一电容C1的第一端；所述第一电容C1的第二端分别耦接于所述第二电容C2的第一端以及所述第一晶体管M1的控制端；所述第一晶体管M1的第一电极形成所述 输入级电路101的输出端；所述第一晶体管M1的第二电极以及所述第二电容C2的第二端耦接于所述第二电感L2的第一端；所述第二电感L2的第二端与地耦接。当射频信号RFin输入时，通过所述第一晶体管M1将所述射频信号转换为电流信号。
所述偏置电路102可用于为所述输入级电路101提供偏置电压或偏置电流。在具体实施中，所述偏置电路102可以包括：电流源、第二晶体管M2以及第一电阻R1。所述电流源耦接于所述第二晶体管M2的第一电极、控制端以及所述第一电阻R1的第一端；所述第二晶体管M2的第二电极与地耦接。所述第一电阻R1的第二端耦接于所述第一晶体管M1的栅极。通过所述偏置电路102可用于调整所述第一晶体管M1的栅极电压，从而为所述输入级电路101提供偏置。
所述第一中间级电路103用于所述输入级电路101和所述第一放大器电路104的级间功率匹配以及信号耦合与隔离。所述第一中间级电路103可以包括：第三电容C3和第三电感L3。所述第三电容C3的第一端以及所述第三电感L3的第一端耦接于所述第一中间级电路103的输入端；所述第三电容C3的第二端形成所述第一中间级电路103的输出端；所述第三电感L3的第二端与地耦接。
所述第二中间级电路105的电路结构和所述第一中间级电路103的结构类似，可用于所述第一放大器电路104和所述第二放大器电路106的级间匹配。如图2所示，所述第二中间级电路105可以包括：第四电容C4和第四电感L4；所述第四电容C4的第一端以及所述第四电感L4的第一端耦接于所述第二中间级电路105的输入端；所述第四电容C4的第二端形成所述第二中间级电路105的输出端；所述第四电感L4的第二端与地耦接。
在具体实施中，所述第一放大器104可以是MOS管。如图2所示，所述第一放大器104为第三晶体管M3，为NMOS管，其栅极耦接于所述第一中间级电路103的输出端，漏极耦接于所述第二中间级电路105的输入端，源级与地耦接。
在上述的具体实施中，所述M3的栅极通过第二电阻R2耦接于电源电压。 所述第二电阻R2用于为所述第一放大器104提供偏置电压及射频阻塞。
在具体实施中，所述第二放大器106可以是MOS管。如图2所示，所述第二放大器106为第四晶体管M4，为NMOS管，其栅极耦接于所述第二中间级电路105的输出端，漏极耦接于所述输出级电路107的输入端，源级与地耦接。
在上述的具体实施中，所述第M4的栅极通过第三电阻R3耦接于电源电压。所述第三电阻R3用于为所述第二放大器106提供偏置电压及射频阻塞。
在具体实施中，如图2所示，所述输出级电路107可包括：第五电容C5、第六电容C6以及第五电感L5。其中，所述第五电容C5、所述第六电容C6以及所述第五电感L5的第一端耦接于所述输出级电路107的输入端；所述第五电容C5以及所述第五电感L5的第二端与地耦接；所述第六电容C6的第二端形成所述输出级电路107的输出端。
如图2所示的实施例中，第三电感L3提供电流复用的射频阻塞，第七电容C7提供交流旁路地。
在现有技术中，在低噪声放大器的输入级电路101和输出级电路107之间只有一个中间级电路，用于匹配两者之间的功率，因而其只包括一个电流复用级的晶体管放大器。而本发明实施例通过在所述输入级电路101和所述输出级电路107之间设置两个中间级电路，并相应地设置了电流复用层叠的第三晶体管M3和第四晶体管M4，将上述电流复用级晶体管放大器的共享偏置电流Ib平均分配给两个层叠级联的共源极放大器，即第三晶体管M3和第四晶体管M4。由于所述第三晶体管M3和第四晶体管M4的偏置状态相同，且其珊宽比的尺寸为一般电流复用级晶体管的一半，因此第三晶体管M3和第四晶体管M4的跨导相等，即gm3＝gm4，且为所述电流复用级晶体管放大器跨导的一半。
gm1为所述第一晶体管M1的跨导，可以得到输入级的等效跨导为：其中SL2为所述第二电感L2的阻抗，SCgs，m1为所述第一晶体管M1的栅源端阻抗。
gm3为所述第三晶体管M3的跨导，因此第一中间级电路103的增益为gm3 (SCgs，m3||SL3)，其中，SL3为所述第三电感L3的阻抗，SCgs，m3为所述第三晶体管M3的栅源端阻抗，SCgs，m3||SL3为所述第三电感L3的与所述第三晶体管M3的栅源端并联后的阻抗。
gm4为所述第四晶体管M4的跨导，因此第二中间级电路105的增益为gm4(SCgs，m4||SL4)，其中，SL4为所述第四电感L4的阻抗，SCgs，m4为所述第四晶体管M4的栅源端阻抗，SCgs，m4||SL4为所述第四电感L4的与所述第四晶体管M4的栅源端并联后的阻抗。
所述输出级电路107的阻抗为SC5||SL5，其中，SC5为所述第五电容C5的阻抗，SL5为所述第五电容C5的阻抗。
因此通过上述的小信号近似分析，可知本发明实施例的增益ANCR为：
ANCR=gm1×gm2×gm3SL2(SCgs,mx+gmin)+1×(Cgs,m2||L3)×(Cgs,m0||L4)×(C5||L5);]]>
而目前一般电流复用结构增益ACR为：
ACR=gm1×gmxSL2(SCgs,m1+gm1)+1×(Cgs,mx||L3)×SL4;]]>
其中，所述gmx为上述电流复用级的晶体管放大器的跨导，Cgx，mx为上述电流复用级的晶体管放大器的栅源极间阻抗。
从而可以得到增益改善效果AE为：
可见，本实施例的一种可应用于射频接收机的低噪声放大器，通过增加输出共源极层叠电路共享且均分偏置电流Ib，实现跨导的均分，并且在级联后能够提高电路的总跨导，在保持功耗不变的情况下使得增益增加，实现了低功耗下的高增益。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。